Ανάπτυξη εργαστηριακής κλίμακας ηλεκτροχρωμικών παραθύρων για εξοικονόμηση ενέργειας σε κτίρια.

Abstract

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον για την υλοποίηση βέλτιστων διατάξεων ελέγχου της ηλιακής ακτινοβολίας στα κτήρια. Μεταξύ των σχετικών διατάξεων είναι τα ηλεκτροχρωμικά παράθυρα, μία κατηγορία για «έξυπνα παράθυρα». Ο σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η σχεδίαση, η μελέτη και η ανάπτυξη μιας, σε εργαστηριακή κλίμακα, ηλεκτροχρωμικής διάταξης καθώς και η αξιολόγηση ηλεκτροχρωμικών επιστρώσεων που αναπτύχθηκαν στα εργαστήρια. Ως προς τις ηλεκτροχρωμικές επιστρώσεις, πραγματοποιήθηκαν 21 εναποθέσεις τριοξειδίου του βολφραμίου (WO3) σε υποστρώματα με προεπίστρωση οξειδίου του κασσιτέρου με προσμίξεις φθορίου (FTO), σχηματίζοντας δομή Γυαλί‐FΤΟ/WO3, με την χρήση της χημικής τεχνικής εναπόθεσης ατμών χαμηλής πίεσης (LPCVD). Στο πλαίσιο αυτό, συνδυάζοντας διαφορετικές συνθήκες εναπόθεσης κάθε φορά, έγινε παραμετρική μελέτη σχετικά με την επίδραση των παραμέτρων εναπόθεσης στα χαρακτηριστικά των επιστρώσεων. Για την διαδικασία των εναποθέσεων κατασκευάστηκε κατάλληλα μια μάσκα εναποθέσεων από ανοξείδωτο χάλυβα. Η χρήση της είχε ως αποτέλεσμα την δημιουργία μιας συγκεκριμένης επιφάνειας για την εναπόθεση ηλεκτρικών επαφών κατά την ανάπτυξή της ηλεκτροχρωμικής διάταξης εργαστηριακής κλίμακας. Στην συνέχεια υλοποιήθηκε δομική ανάλυση των δειγμάτων υποβάλλοντας τα σε μετρήσεις με περιθλασιόμετρο ακτίνων Χ ‐ XRD (Siemens D5000) και Φασματοσκοπίας Raman (Nicolet Almega XR micro‐Raman). Επίσης τα δείγματα υποβλήθηκαν και σε μορφολογική ανάλυση με την χρήση Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου σάρωσης (Jeol JSM‐7000F SEM). Επιπροσθέτως υλοποιήθηκαν ηλεκτροαναλυτικές μετρήσεις σε όλα τα δείγματα με την χρήση των τεχνικών της κυκλικής βολταμετρίας και της χρονοαμπερομετρίας (Autolab PGSTAT302N) από τις οποίες εξήχθησαν καμπύλες ρεύματος ‐ τάσης (Ι‐V) και ρεύματος – χρόνου αντίστοιχα. Τέλος πραγματοποιήθηκε οπτική ανάλυση των δειγμάτων στην διάφανη και χρωματισμένη κατάσταση, υποβάλλοντας τα σε μετρήσεις διαπερατότητας (Perkin‐Elmer Lamda 950 UV spectrophotometer) στο εύρος 300‐ 900nm. Από το χαρακτηρισμό των δειγμάτων, εξήχθησαν αξιόλογα αποτελέσματα και συμπεράσματα για την επίδραση των συνθηκών εναπόθεσης στην ηλεκτροχρωμική συμπεριφορά τους. Χαρακτηριστικά, τα δείγματα που υλοποιήθηκαν στους 465ο C για 15 λεπτά διάρκεια εναπόθεσης, με σταθερή ροή αζώτου 0.05 l/min (Ν2) και μεταβαλλόμενη ροή οξυγόνου (O2) από τα 0.025 στα 0.1 l/min, έδειξαν εξαιρετική χρωματική απόδοση 83 cm2/C σε μήκος κύματος 670nm. Επίσης τα δείγματα που υλοποιήθηκαν στους 400ο C για 15 λεπτά διάρκεια εναπόθεσης, με σταθερή ροή αζώτου 0.05 l/min (Ν2) και μεταβαλλόμενη ροή οξυγόνου (O2) από τα 0.05 στα 0.1 l/min, έδειξαν ότι αλλάζουν μορφολογική δομή ανάλογη της μεταβολής της ροής του οξυγόνου στον θάλαμο εναπόθεσης. Η χρωματική απόδοση βρέθηκε υψηλότερη από δείγματα που υλοποιήθηκαν σε υψηλότερες θερμοκρασίες εναπόθεσης και επιβεβαιώθηκε ότι η μεταβολή της ροής του οξυγόνου στην διαδικασία εναπόθεσης επηρεάζει την ηλεκτροχρωμική συμπεριφορά των δειγμάτων . Τέλος υλοποιήθηκαν ηλεκτροχρωμικές διατάξεις της μορφής sandwich Γυαλί‐FΤΟ/WO3/LiCl4 (10% PMMA)/FTO‐Γυαλί, στα εργαστήρια ΚΕΤΥΦ του ΤΕΙ Κρήτης. Αξιοποιώντας το λογισμικό Pro Engineer μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε μια βάση συγκράτησης των δειγμάτων στην διάταξη. Σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Κρήτης, υλοποιήθηκε μια διαδικασία οπτικών μετρήσεων και χαρακτηρισμού των ηλεκτροχρωμικών διατάξεων. Στην τελική διάταξη πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις διαπερατότητας και χρονοαμπερομετρίας ταυτόχρονα. Από τις μετρήσεις διαπερατότητας, βρέθηκε η τάση λειτουργίας της διάταξης στα ±3V DC, στην οποία το δείγμα εμφάνισε μεγάλη μεταβολή στην διαπερατότητα από 72% σε 9.89 %, στην αποχρωματισμένη και χρωματισμένη κατάσταση αντίστοιχα. Οι χρονοαμπερομετρικές μετρήσεις έδειξαν ότι το δείγμα εμφάνισε κακή επαναληψιμότητα, οπότε υλοποιήθηκαν περαιτέρω μετρήσεις, μεταβάλλοντας το εύρος του παλμού της εφαρμοζόμενης τάσης στις δυο χρωμικές καταστάσεις. Το αποτελέσματα έδειξαν ότι με τον έλεγχο του εύρους της εφαρμοζόμενης τάσης, το δείγμα εμφάνισε καλή επαναληψιμότητα και αντιστρεψιμότητα σε διαδοχικούς κύκλους, με κόστος όμως την μείωση του εύρους μεταβολής της διαπερατότητας.

In recent years, there has been intense research interest in the implementation of novel solar control devices for energy saving in buildings. Among others, electrochromic windows, a class of "smart windows ", are quite important and many groups are working with it worldwide. The purpose of this thesis is to study, design and develop a laboratory scale electrochromic device. In addition, the performance of electrochromic films, grown in the laboratory, were evaluated and used for the development process. Tungsten trioxide (WO3) films, were deposited onto FTO coated glass (Pilkington Glass), using a Low Pressure Chemical Vapour Deposition (LPCVD) process. FTO‐glass/WO3 samples were grown, using various deposition conditions in the LPCVD process, so that a correlation between growth conditions, basic characteristics and functionality can be studied. A stainless steel deposition mask was designed and constructed, in order to create a suitable undeposited area on the substrate, where metal contacts can be attached during the development of the device. Structural analysis of the samples, was performed using XRD (Siemens D500) and Raman spectroscopy (Nicolet Almega XR micro‐Raman). Also morphological analysis was employed by means of a scanning electron microscope (Jeol JSM‐7000F SEM). Electrochemical measurements, such as cyclic voltammetry (I‐V) and chronoamperometry (I‐t) were also performed using a high current potentiostat (Autolab PGSTAT302N). Finally, transmittance spectra were obtained for the bleached and colored state of the samples, using a Perkin‐Elmer Lamda 950 UV spectrophotometer in the range of 300‐900nm. The evaluation of the performance of the samples resulted in valuable conclusions regarding the effect of the deposition parameters, on the electrochromic behavior. For instance, samples deposited at 465oC for 15 minutes duration, keeping constant nitrogen flow at 0.05 l/min and varying oxygen flow from 0.025 to 0.1 l/min, showed excellent coloration efficiency of 83 cm2/C at 670nm. Other samples deposited at 400oC for 15 minutes duration, keeping a constant nitrogen flow at 0.05 l/min and varying oxygen flow from 0.05 to 0.1 l/min, revealed a change in the morphological characteristics, these depending on the oxygen flow rate within the deposition chamber. Coloration efficiency of these samples was found larger, in comparison with others deposited at higher deposition temperatures. Finally it was confirmed that oxygen flow rate affects the electrochromic behaviour of the samples. Finally sandwich type electrochromic devices, were developed in the form glass‐FTO / WO3 /LiCl4 (10% PMMA) / FTO‐glass. A sample holder base was designed (Pro Engineer) and constructed by a 3D printer. In collaboration with the University of Crete, an evaluation setup was developed, so that simultaneous optical and electrochemical measurements of the electrochromic devices can be implemented. In particular, transmittance and chronoamperometric measurements were performed simultaneously, which revealed a ±3V DC operational voltage range for the device. At this voltage range, a large variation of transmittance was found, 72% to 9.89% at bleached and colored states respectively. However, under this conditions, chronoamperometric measurements of the samples showed poor reversibility. Then further measurements were carried out by varying the amplitude of the applied voltage pulse (duty cycle), used for coloring and bleaching states. The results revealed that the variation of the amplitude of the applied voltage pulse can lead in good reversibility and repeatability of the electrochromic response, during multiple cycles. However, the resulting transmittance variation between bleached and colored states, is reduced significantly.